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ESD EOS 的差異及其故障現象2020/04/08

  ESD 是靜電放電現象,電子產品的 ESD 來源主要來自人體或電纜線上累積的電荷,因為碰觸或插拔而對電子設備導致的破壞的事件。新穎的電子產品由於採用了先進的半導體製程所製作的 IC 積體電路控制晶片,以達到更高效能和成本的效益,但是其晶片本體的突波抗受度卻相形脆弱,因此極易遭受到靜電放電事件的破壞,因此必須經過元件級別的靜電放電相關測試驗證,其中包含 HBM 人體放電模型,MM 機械放電模型和 CDM自我放電模型。HBM 人體放電模型是對 100pF 電容充電後,再經由 1.5kΩ的電阻對外放電。而 MM 機械放電模型則是對 200pF 電容充電後,透過 500nH 電感對外放電。CDM 自我放電模型是對 IC 本透充電後,再透過接地方式放電。系統級別的靜電放電測試驗證則需參照IEC61000-4-2 靜電槍測試模型,其內部為對 150pF 電容充電後,再透過 330Ω電阻對外放電,此靜電槍模型由於其放電電阻值約為 HBM 人體放電模型的 1/5,因此可簡略估算其放電電流能量約為 HBM 人體放電模型的 5倍,這也是為何系統級別的 ESD 放電測試比元件級別的ESD 放電測試更嚴苛的原因之一。


 

圖 1、元件級別和系統級別的 ESD 測試模型。


  EOS 則為電氣過載事件,主要形成大於微米時間的低頻高能量突波破外,由於其具有高能量的特性,因此所形成的破壞現象可明顯的判斷其為 EOS 所導致,如圖2 所示,EOS 所導致的破壞可能會在 IC 的金屬繞線層形成燒黑現象,所以可以在進行 IC 的 Decap 分析時發現。


 

圖 2、EOS 所導致的破壞現象。


 

圖 3、EOS 的來源 (1) 雷擊感應 (2) 交流電源上的 Surge Spike。


  另外 IC 和封裝的連接金屬線 Bonding wire 也可能被 EOS能量所燒毀,此一現象可在 X-ray 分析時發現。更嚴重者可能會將封裝直接燒融,在外觀檢查時就可直接被發現。而如此大能量的 EOS 突波來源可能來自於圖 3 所示的雷擊感應或是交流電源上的突波 Surge Spike 能量。


  目前 EOS 的測試標準主要採照 IEC61000-4-5 電壓波形為 1.2/50μs 和電流波形為 8/20μs 的測試標準。參考圖4 的EOS 充放電模型可以發現其為對5μF 電容充電,

 

 

圖 4、EOS 測試規範 IEC61000-4-5


  之後透過內建的 2Ω電阻放電,其餘的電阻電感則為將輸出波形修整為更符合標準所定義的規範,由於其輸出電阻只有 2Ω,因此在很低的 EOS 電壓之下也會產生高電流的 EOS 輸出電流,而對電子設備形成嚴重的破壞。目前業界上有幾種主要的 EOS 測試設備,如圖 5 的Thermo KeyTek EMCPro Plus 是常用的高壓EOS 測試設備,其特點為最高電壓可輸出到 6kV 等級,一般適用於會接到戶外網路的電子設備,如 STB 或 Router 等電子產品。


 

 

圖 5、高壓 EOS 測試設備 Thermo KeyTek EMCPro Plus

 

圖 6、低壓 EOS 測試設備 KAST KT200-SG


  另外圖 6 的 KAST KT200-SG 則主要為低壓 EOS 測試設備,其輸出電壓最高為 200V 等級,因此主要適用於應用於室內的電子產品,如智慧型手機和 TV 電視,面板等相關消費性電子產品。最近在大陸也有一台通用的低壓 EOS 測試設備如圖 7 的 Prima TVS 8/20μs,其最高電壓可達 EOS 300V,大陸所生產的電子產品則主要以此為指定 EOS 測試機台。也有廠商自訂廠內使用的 EOS測試設備,如圖 8 的 KeoSan Discharge Tester 是韓國廠商所自訂生產,其內部構造為 1000V 的 Power Supply 電源透過內建 Relay 對外掛電容充放電,此外掛電容可達2μF,因此其 EOS 波形能量也和 IEC61000-4-5 屬於微米時間等級。


 

圖 7、低壓 EOS 測試設備 Prima TVS 8/20


 

圖 8、廠商自訂的 EOS 測試設備


  因此我們可從輸出的電流波形會進行 ESD 和 EOS的差異比較,從圖 9 的波形比較圖中,可以發現屬於ESD 範圍的 HBM,MM 和 IEC61000-4-2 雖然波形不同,但其放電時間皆在奈米時間內,屬於高頻的暫態突波。而 EOS 電流波形放電時間則長於到微米時間,因此可知EOS 的突波能量至少大於 ESD 的 1000 倍以上。而在從圖 10 的 ESD 破壞現象圖片可以發現,來自於人體和電纜線累積電荷的 ESD 放電破壞區域會落在 IC 的底部元件層,其損壞範圍非常的微小,必須經由去層 Delayer 分析方能發現確切位置,相較於圖 2EOS 的破壞現象有很明顯的差異。因此在選擇對應的保護元件 TVS 時,必須選擇內含 EOS 保護能力的 IEC61000-4-5 8/20μs 電流波形規格的 TVS,方能滿足系統針對 EOS 破壞的防範。


 

圖 9、EOS 和 ESD 電流波形的比較

 

圖 10、ESD 來源和所造成的破壞現象


 

 

 

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